河北工业职业技术学院毕业设计（论文）
电弧炉炉体设计
学生姓名： 李 勇 瑞
学生学号：
院（系）： 材料工程系
年级专业： 2010级冶金技术专业
指导教师： 董中奇 助教
助理指导教师：
二〇一二年十二月
摘 要
电弧炉炼钢是靠电弧进行加热的，其温度可以高达2000℃以上，热效率比平炉、转炉炼钢高。由于没有可燃烧气体，根据工艺要求可在各种不同的气氛中进行加热，这能保证冶炼含磷、硫、氧低的优质钢，用各种元素来使钢合金化，也能炼出各种类型的优质钢和合金钢。110吨电弧炉炉体设计，设计的内容包括电弧炉炉型的尺寸和耐火材料的厚度、辅助的水冷壁、偏心底出钢的位置、变压器功率和电参数、配料计算等，利用CAD 软件完成电弧炉炉体及耐火材料的图形绘制。设计的电弧炉用材经济节省，结构合理，尺寸合理实用。
关键字：电弧炉，炉体，耐火材料，CAD
摘 要.............................................................................................................................. 2
1 绪论............................................................................................................................ 1
1.1前言 .................................................................................................................................... 1
1.2关于电弧炉的概述 . ............................................................................................................ 1
1.2.1 电弧炉的优缺点 . .................................................................................................... 1
1.2.2电弧炉的分类 . ......................................................................................................... 2
1.2.3电弧炉的特征及组成 . ............................................................................................. 2
1.2.4电弧炉对耐火材料的要求 . ..................................................................................... 3
1.2.5电弧炉的冶炼工艺 . ................................................................................................. 3
2 电弧炉炉型尺寸设计................................................................................................ 4
2.2熔池的形状......................................................................................................................... 5
2.2.1熔池直径和深度设计 . ............................................................................................. 6
2.2.2熔炼室尺寸设计 . ..................................................................................................... 6
2.3电弧炉炉衬的确定 . ............................................................................................................ 8
2.3.1电弧炉炉墙、炉底耐火材料选择及砌筑 . ............................................................. 9
2.3.2炉盖的耐火材料 . ................................................................................................... 10
3 水冷炉壁设计.......................................................................................................... 12
3.1水冷壁的主要参数及特点 . .............................................................................................. 12
3.2水冷组件材质选择 . .......................................................................................................... 13
3.3水冷炉壁冷却水耗量的确定 . .......................................................................................... 14
3.3.1炉壁最大热流的选择 . ........................................................................................... 14
3.3.2水冷面积的确定 . ................................................................................................... 14
3.3.3冷却水流量的确定 . ............................................................................................... 14
3.3.4炉壁水冷组件管径的选择 . ................................................................................... 15
3.4水冷炉盖........................................................................................................................... 16
3.5水冷炉壁、水冷炉盖的安装 . .......................................................................................... 16
4变压器功率和电参数的确定................................................................................... 17
4.1变压器功率的确定 . .......................................................................................................... 17
4.2电极直径设计 . .................................................................................................................. 17
4.3电极心圆直径设计 . .......................................................................................................... 18
5参考文献................................................................................................................... 18
1 绪论
1.1前言
近现代主要冶炼钢方法包括转炉炼钢、平炉炼钢法和电炉炼钢法法。但平炉炼钢法已基本淘汰，而电炉已取得长足的发展。转炉炼钢与电炉炼钢法最基本的区别在于，电炉炼钢法是靠电能作为热源，而且电弧炉炼钢是应用得最为普遍的电炉炼钢方法，转炉由钢水本身供热。我们通常所说的电炉炼钢，主要是指电弧炉炼钢，因为其他类型的电炉如感应电炉、电渣炉等所炼的钢数量较少。
电弧炉炼钢得到迅速发展的主要原因：
1) 废钢量逐年增加
2) 钢铁工业迅速增长。由于发电设备大型化和技术不断发展，可利煤用部分劣质粉发电，电的供应和价格相对比较稳定，使电炉炼钢有了比较可靠的能源基础。此外，电炉用废钢比高炉、平炉炼钢的能耗低。
3) 电炉趋向大型化、超高功率化，冶炼工艺化。
4) 投资少，基建速度快，投资回收时间短。
5) 钢液温度、成份易控制，品种适应性强，可冶炼牌号的钢多，同时还能间断性生产。
1.2关于电弧炉的概述
1.2.1 电弧炉的优缺点
电炉炼钢是世界各国生产特殊钢的主要方法，它具有以下的优点：
① 电炉炼钢的设备投资少、基建速度快；
② 炼钢的热能来自于电弧上，温度可高达4000～6000℃，并且直接作用在炉料上，热效率比较高，一般在65％以上。此外，冶炼中含有难熔元素W 、Mo 等高合金钢；
③ 电炉炼钢可以去除钢中含有的夹杂物和有害气体，以及去硫、脱氧、合金化等，以此来冶炼出高质量的特殊钢；
④ 电炉炼钢可采用热装或冷装，不受炉料的限制；
⑤ 适应性强，可连续生产也可间断生产。
电弧炼钢的缺点有：
① 电弧是点热源，炉内温度分布不均匀，熔池各部位温差较大；
② 炉气或水分，在电弧的作用下，能解离出大量的H 、N ，而使钢中的气体含量增高。随着电弧炉技术的发展和完善，以及废钢等代用品的开发与应用，电弧炉流程可以使用废铁、废钢作为代用品，甚至可以使用比较多的生铁进行生
产冶炼。因此，在全球角度看，以电弧炉炼钢技术为代表的短流程钢厂生产的前景十分广阔。
1.2.2电弧炉的分类
电弧炉炼钢是利用电极上电弧产生的高温来熔炼金属和矿石的电炉。然而在气体放电形成的电弧时能量非常集中，弧区温度达到在3000℃以上。对于熔炼金属，电弧炉比其他炼钢炉工艺效率更高，能有效地除去硫、磷等杂质，炉温容易控制，设备占地面积小，适于优质合金钢的冶炼。电弧炉可以按电弧的形式来分为单相电弧炉、电阻电弧炉和自耗电弧炉等类型。
单相电弧炉：这类电弧炉用单相交流电供电, 炉料在电弧间接加热, 单相电弧炉多用于铜和铜合金的熔炼。
电阻电弧炉：炉子结构与炼钢电弧炉相似。工作时，电极下端埋在炉料内起弧，除电极与炉料间的电弧发出热量外。由于，炉料也有很大的电阻，因此电流通过炉料时炉料电阻也产生很大的热量。这类电弧炉主要用于矿石的冶炼, 因此又称矿热炉。
自耗电弧炉：这种电弧炉的电极作为被熔炼钢的原料。熔炼时，随着原料的不断被熔化，电极不断下降。熔化的钢水滴入用水冷却的紫铜筒形坩埚内，冷凝成钢锭。这种炉子主要用于合金钢的熔炼。用于熔炼钛、锆、钨、钼、钽、铌等活泼金属和难熔金属的自耗电弧炉，常在真空下工作，故称为真空自耗电弧炉。
从工业应用上电弧炉可以分为三类：
第一类直接加热式，电弧是发生在专用的电极棒和被熔炼的炉料之间，炉料直接由来电弧加热。主要用于炼钢，其次还用于熔炼铁、铜、耐火材料、精炼钢液等。
第二类间接加热式，是在两根专用电极棒之间产生电弧，炉料受到电弧的辐射热，多用于熔炼铜、铜合金等。这种电弧炉由于噪声大，熔炼质量差，所已逐渐被其它炉类所取代。
第三类矿热炉，主要是以高电阻率的矿石为原料，在冶炼过程中电极的下部一般是埋在炉料中的。该电炉加热原理是：利用电流通过炉料时，炉料电阻产生的热量，同时利用了炉料和电极间的电弧产生的热量。所以又称为电弧电阻炉。
1.2.3电弧炉的特征及组成
电炉炼钢主要使用电弧辐射进行加热，有时用重油或吹氧加速熔炼，以降低电能消耗，提高产量。电炉炉内温度高，气氛变化大，冶炼周期短，同时在冷态时进炉料。因此，电炉炉衬常处于高温、熔渣侵蚀和急冷急热的状态，工作条件苛刻。电炉炉衬因部位不同，采用的耐火材料及其损毁机理也是不同的。电弧炉
炉顶(即炉盖) 带有电极孔和排烟孔的球面形结构外环部分称为主炉顶，中间部分称为小炉顶。炉顶能吊起成旋转，以便装炉料。炼钢电炉系由炉顶、炉墙和炉底等几个大部分组成。电弧炉的组成包括：
① 电源部分：电炉变压器（整流器）、高压供电、低压电气控制柜等； ② 电极部分：电极升降装置、导电横臂、电极类等；
③ 炉体部分：炉壳、炉盖、炉体倾转机构等；
④ 短网部分：导电铜排、水冷电缆等；
⑤ 冷却水系统。
1.2.4电弧炉对耐火材料的要求
耐火材料的生产主要包括原料的加工、配料与混练、砖坯的成型、砖坯干燥、制品烧成等几个步骤。耐火材料通常是指主要有无机非金属材料组成的且耐火度不低于1580℃的材料和制品。耐火材料是为高温技术服务的基础材料。它与高温冶炼工业的发展有着密切的关系，相互依存，互为促进，共同发展。在一定条件下，耐火材料的质量品种是高温技术的发展期的关键。
1.2.5电弧炉的冶炼工艺
上炉出钢→补炉→装料→熔化期→氧化期→还原期→出钢
补炉：上炉出钢毕，迅速将炉体损坏部位进行修补，以保证下一炉钢的冶炼。新炉子在炉役期的前几炉可不补炉。
装料：将配好的炉料按一定规律装入料罐中，然后将料罐吊至炉前，打开炉盖，将炉料一次卸入炉内。一炉钢可视情况一次装料或多次装料。
熔化期：从通电至炉料完全熔清称为熔化期。其主要任务是迅速熔化全部炉料，并及早形成一定的炉渣，起到稳定电弧、防止金属挥发与吸气，提早脱P 等作用。 氧化期：待炉料全部熔清后，取样分析，进入氧化期。其主要任务是最大限度地脱P 、去除钢中气体（[H]、[N]）和非金属夹杂物，并升温至稍高于出钢温度。
还原期：氧化期任务完成后，停电扒除氧化渣，重新造新渣，进入还原期。其主要任务是脱O 、脱S ，调整钢液的成分和温度。
出钢：当钢液成分和温度均符合出钢要求，则打开出钢口，摇炉出钢。出钢时要做到钢渣混冲，利用钢渣在钢包中激烈运动，最大限度地脱S ，并防止二次氧化、二次吸气。
2 电弧炉炉型尺寸设计
。
2.1电弧炉的设计要求
电弧炉的整体设计是包括机械、电气、热工、冶炼、耐火材料等多个方面。随着钢质量要求不断的提高，冶炼工艺不断革新，因而也向炉子结构设计（包括耐火材料砌衬）设计提出了更高的要求。正确设计电弧炉应保证炉子生产率高，电能、耐火材料和电极的单位消耗低，同时应满足多品种的钢冶炼时冶金反应的顺利进行。因此必须考虑如下几个方面：
1) 选定大功率变压器；
2) 提高热效率和电效率，即减少热损失和电损失；
3) 采用高质量耐火材料砌筑炉衬；
4) 炉子各部分的形状、尺寸和结构设计合理，钢与渣接触面适当增大，以促进熔池中冶金反应顺利进行，提高钢质量；
5) 炉子熔炼室容积应能一次装入中等堆比重的全部炉料；
6) 炉子倾动30°～45°能保证全部钢液顺利流出。
计算参数要求：
1) 求出炉内钢液和熔渣的体积，一般常以炉容量的公称吨位来进行计算；
2) 计算熔池直径和熔池深度；
3) 确定熔炼室直径和熔炼室高度；
4) 确定炉顶拱高和炉盖厚度；
5) 决定各部分炉衬尺寸和炉壳直径；
6) 决定变压器功率与电压级数和大小；
7) 求出电极直径；
8) 确定电极分布圆直径即三极心圆直径。
2.2熔池的形状
电弧炉的大小以其额定容量（公称容量）来表示，所谓额定容量是指新设计的电炉熔池所能容纳的钢水量。熔池：容纳钢液和熔渣的那部分容积。熔池的容积应能足够容纳适宜熔炼的钢液和熔渣，并留有余地。电弧炉熔池的形状应利于冶炼反应的顺利进行，砌筑容易、修补方便。目前使用的一般为锥球形熔池，上部分为倒置的截锥，下部分为球冠（如下图所示）。球冠形电炉炉底使得熔化了的钢液能积蓄在熔池底部，迅速形成金属熔池，加快炉料的熔化并及早造渣去磷。截锥形电炉炉坡便于补炉、炉坡倾角45°。
图2.1 电弧炉尺寸图
熔池尺寸的计算
熔池容积V 池。
根据 V 池=V 液+V 渣 式(2.1)
V 液=T ρ液 式(2.2)
式中 T —出钢液量；ρ液-钢液密度，6.8～7.0t/m3。
V 渣=G 渣ρ渣 式(2.3)
式中 G 渣-按 氧化期最大渣量计算，钢液量的7%（碱性）；ρ渣—3～4t/m3
2.2.1熔池直径和深度设计
在计算熔池直径D 和深度H 之前，首先得确定一个合适的D /H 值。在熔池容积一定的条件下，D /H 越大，熔池越浅。熔池容积一定，熔池越浅，熔池表面积越大，即钢、渣界面越大，有利于钢渣之间的冶金反应。因此，希望D /H 大一些，但是D /H 太大，则熔池直径和熔炼室直径都增大，于是路壳直径增大，导致D 壳太大，炉壳散热面积增加，电耗也增大，所以D /H 又不能过大。
若D /H 太小，熔池太深，则钢液加热困难，温度分布不均匀性大。在氧化期内应对金属进行良好的加热，并对熔池中的金属进行强烈沸腾搅拌，以促使金属成分和温度均匀。当选定炉坡倾角45°时，一般取D /H =5左右较合适。由截锥体和球冠体的体积计算公式可知，熔池的计算公式为：
d 22V 池=h （D +d D +d ）+h （3⨯+h 211）1264 式(2.4) π22π
式中 h 1—球冠部分高度，一般取h 1=H /5；
h 2—截锥部分高度，h 2=H -h 1=4/5H ；
D 熔池液面直径，通常采取D /H =5，即D =5H ；
d —球冠直径，因d =D -2h 2=5H -8/5H =17/5H ，
因此熔池计算为式2.5
整理得：
V 池=12. 1H 3=0. 0968D 3
2.2.2熔炼室尺寸设计 式(2.5)
熔炼室指熔池以上至炉顶拱基的那部分容积，其大小为一次装入容积密度中
的全部炉料。
① 熔炼室直径D 熔
为了防止钢液沸腾或炉渣到达炉坡与炉壁砖交界处（薄弱处）时炉渣冲刷炉壁砖，炉坡应高于炉门槛（渣面与炉门槛平齐）约100 mm左右，即当选定炉坡倾角为45°时：
D 熔=D +2×100 式(2.6)
② 熔炼室高度H 1
从延长炉盖寿命和多装轻薄料考虑，希望熔炼室高度H 1大些，因为增大熔炼室高度H 1，炉盖距电弧和熔池面距离远，炉盖受到的辐射热会相对少一些，炉盖寿命长。另外，熔炼室高度H 1越大，装轻薄料多。但是如果熔炼室高度H 1太大会导致：
1) 炉壳散热面积大→电耗多；
2) 电极长→电阻大。
金属炉门槛至炉顶拱基的空间高度为熔炼室高度。炉衬门槛较金属门槛高出80~100mm。
经验值： H 1=0. 50~0. 54
H 1=0. 44~0. 40 >40t电炉 D
取0.42 则H 1=0.42D
③炉顶高h 3
炉顶高度h 3与熔池室直径D 有如下关系：
h 3=1/7~1/9（因炉顶砖而异） 式(2.8) D 熔
至此，渣面至炉顶中央高度H 2=H1+h3
④ 熔炼室上缘直径D 1
通常熔炼室设计成上大下小倾斜形的，即D 1>D熔，炉壁上部薄下部厚，这种形状的熔炼室增强了炉壁的稳定性，炉壁较稳固，并且容易修补，同时使熔炼室的容积增大，可多装轻薄料。另外下部的炉衬接近于炉渣，侵蚀快些，炉衬下厚上薄可以使整个熔炼室炉衬寿命趋于均匀。其炉墙内侧倾斜度，一般为炉坡水平面至拱基高度（H 1—100）的10%左右；所以：
D 1=D 熔+2⨯（H 1-100）⨯10%
⑤ 炉门尺寸的确定 式(2.9)
一般电炉设一个加料炉门和一个出钢口，其位置相隔180°。确定炉门尺寸
要考虑以下因素：便于顺利观察炉况，能良好地修补炉底和整个炉坡，采用加料机加料的炉子，料斗应能自由进入，能顺利取出折断的电极。炉门尺寸的经验值：
炉门宽度=（0.25~0.3）D 熔 式(2.10)
炉门高度=0.8×炉门宽度 式(2.11)
为了密封，门框应向内倾斜8°~12°。
⑥ 出钢口和流钢槽
出钢口的位置：出钢口下缘与炉门槛平齐或高出100~150mm。出钢口为圆形孔洞，其直径为120~150mm。
流钢槽：外壳用钢板或角钢，断面为槽型，固定在炉壳上，内衬凹形预制砖（称流钢槽砖）。为了防止打开出钢口以后钢水自动流出，流钢槽应上翘，与水平面成10°~12°的角。
流钢槽长度与电炉在车间的布置方式及出钢方式相关。纵向或高架式布置同跨出钢的可以短一些，以减少钢水散热和二次氧化，一般1m 以下。横向地面布置异跨出钢的应长些，一般2m 以上。电弧炉容量是110吨，根据式式(2.1)到式(2.11)可求出：
熔池容积 V 池=110/7+7。7/4 m3 =4939/280 m3
熔池液面直径 D = 5669mm
熔池深度 H = 1134mm
熔炼室高度 H 1= 0.42*5669=2381mm
熔池室直径 D 熔= 5889mm
熔炼室上边缘直径 D 1=6345.2mm
熔炼池高度 H 2 = H2=H1+h3= 3117.125mm
球冠部分高度 h 1 = 1/5H=226.8mm
球锥部分高度 h 2 = 4/5H=907.2mm
球冠直径 d = 17/5H=3855.6mm
炉顶高度 h 3 =1/8 D熔=736.125mm
炉门槛 h 0=100mm
炉门宽度= 0.3 D熔= 1766.7mm 炉门高度= 1413.36mm
2.3电弧炉炉衬的确定
由于电弧炉内部生产环境很复杂，因而对耐火材料的使用要求相对苛刻，以适于电弧炉的生产条件，提高生产率，降低生产成本应具备：
1）高耐火度。电弧温度在4000℃以上，炼钢温度常在1500~1750℃，有时甚至高达2000℃，因此要求耐火材料必须有高的耐火度。
2）高荷重软化温度。电弧炉炼钢过程是在高温载荷条件下工作的，并且炉
体要受钢水的冲刷，因此耐火材料必须有高的荷重软化温度。
3）良好的热稳定性。电弧炉从出钢到装料时间内温度急剧变化，温度由原来的1600℃左右骤然下降到900℃以下，因此耐火材料必须具有良好的热稳定性。
4） 抗渣性好。 在炼钢过程中，炉渣，炉气，钢液对耐火材料强烈的化学侵蚀，因此耐火材料有良好的抗渣性。
5） 高耐压强度。电弧炉衬在装料时受炉料的冲击，冶炼时受钢液的静压，出钢是受钢液的冲刷，操作时又受机械振动，因此耐火材料必须有高的耐压强度。
6）低导热性。为了减少电弧的热损失，降低电能消耗，要求耐火材料的导热性要差，即导热系数要小。
2.3.1电弧炉炉墙、炉底耐火材料选择及砌筑
炉墙和炉底的工作条件同炉大致相当，易受到电弧的高温辐射，在极高的温度条件下工作，经常受到急冷作用。比炉盖更严重的是炉墙和炉底直接同钢水、炉渣接触，受到钢水的冲刷和炉渣的侵蚀，并且装料时还受到炉料的撞击。因此，选用优质的耐火材料就显得非常重要，尤其是与炉渣接触部位和接近电弧热点的部位要求更高，常用的耐火材料如下：
① 镁砂
镁砂是砌筑碱性电弧炉炉衬的主要材料之一，用来打结炉底和炉坡，也可用来制作镁砖。同时又是补炉的主要材料。镁砂是由天然的菱镁矿在1650℃温度下煅烧而成的。镁砂的耐火度可达到2000℃以上，有较好的抵抗碱性炉渣的侵蚀的能力。但其热稳定性差，导热系数大。镁砂的主要成分是氧化镁≥85%，也含有少量杂质。
② 白云石
白云石也是砌筑碱性电弧炉炉衬的主要材料之一，用作炉墙和补炉材料，也可制作成白云石砖。白云石的耐火度也在2000℃以上，它能抵抗碱性炉渣的侵蚀，热稳定性比镁砂好，但白云石易吸水粉化，因此应尽量缩短白云石从烧成到使用的时间。
③ 石英砂
石英砂是砌筑酸性电弧炉炉衬的主要材料之一，用来砌炉底和炉坡，也用作酸性电弧炉的补炉材料。纯的石英砂为水晶透明体，含有少量杂质时为白色，杂质愈多就愈呈暗灰色，电弧炉用的石英砂大多为白色。
④ 各种耐火砖
粘土砖主要作为电弧炉炉墙和炉底用的耐火材料，故耐火度和荷重软化温度低，因而用作隔热砖，砌在靠近炉壳的部位。在粘土砖的里面再砌镁砖和其他碱
性砖。镁铝砖由于原料缺乏，价格较贵，用的较少。硅砖用于酸性电弧炉。
炉壁衬砖厚度由按耐火材料热阻计算确定，计算依据的是炉壳在操作末期被加热的温度不大于200℃，防止炉壳变形。总的来说，增加炉壳厚度，炉壳受热及热损失可以减少，这在一定程度上正确的，但是炉壳厚度δ增加与热损失减少并非线性关系，当厚度δ达到一定值以后，再增加炉衬厚度δ，热损失减少不显著，反而因为厚度δ增加过大，而增加炉壳直径D 壳，耐火材料消耗增加，所以
比较经济的办法是选择优质材料，使用较薄的炉衬。
炉底的组成：绝热层→保护层→工作层 如图2.2
绝热层的组成：石棉板（200-50℃）→硅藻土粉（600-200℃）→粘土砖（1000-600℃），砖缝应不大于2mm ，缝隙用硅藻土粉或者粘土砖粉填充。
保护层的组成：镁砖（1400-1000℃）
工作层的组成：镁砖（1700-1400℃）
图2.2 炉底耐火材料 图2.3 炉墙耐火材料
绝热层砌筑时砖缝不应大于2mm ，缝隙用硅藻土粉或粘土砖粉填充。保温层，其作用是保证熔池的坚固性，防止漏钢砌筑方法有平砌、侧砌和立砌。工作层是容纳钢液和炉渣的部位，因此必须保证它的质量，工作层成形方法分打结、振动和砌筑。保温层通常紧贴炉壳钢板处用一层石棉板，再砌筑一层粘土砖。工作层直接与钢渣接触，热负荷高，化学腐蚀严重，机械冲刷作用剧烈。砌筑方法有机制小砖砌筑，大块镁砖装配，整体打结和整体振动形成。
炉墙的组成 ： 保温层→工作层 如图2.3
保温层的组成： 石棉板（200-50℃）→粘土砖（1200-200℃）
工作层的组成：镁砖（1700-1200℃）
2.3.2炉盖的耐火材料
炉盖在冶炼过程中长期处于高温状态，并且经常受到温度的剧烈变化的影响，受到化学侵蚀和机械振动作用，所以工作条件十分恶劣。炉盖各部分的尺寸
应符合要求，砖缝不大于2mm ，砖与砖高低凹凸差不大于5mm ，砌筑完毕后应进行干燥。炉盖用的耐火材料有以下几种：
1. 硅砖
硅砖由天然石英岩或石英砂加工制成。由于硅砖有很高的荷重软化温度，较高的耐火度，同时具有质量小、价格便宜等优点，因此曾是碱性电弧炉炉盖的主要材料，因为硅砖的热稳定性差又随着电弧炉热负荷的提高，硅砖的耐火度低也成为主要问题（硅砖炉盖使用寿命一般不超过50炉）。
2．高铝砖
高铝砖是指含三氧化二铝大于46%的硅酸铝质耐火材料，它的原料是高铝矾土矿。高铝砖与硅砖相比，具有耐火度高、热稳定性好、抗渣性好和耐压强度高等优良性能，加之我国矾土矿储备量又多，所以目前它是我国碱性电弧炉炉盖的主要材料。
3. 碱性砖
碱性砖是比较新型的炉盖用砖，现在各国使用的碱性炉盖砖就其材质而言有镁质、白云石质、镁铝质等。它们具有高的耐火度和良好的抗氧化铁渣的能力，在苛刻冶炼条件下的使用性能比高铝砖好，使用寿命长
4. 耐火泥
在砌制炉盖时用耐火泥与卤水或净水调和成耐火泥浆，其作用是填充砖缝， 使砌体具有良好的紧密型，防止气体通过，避免炉渣渗透。耐火泥有粘土质、硅质、高铝质等几类，它们的主要成分和理化指标与相应的耐火砖基本相同。
5. 耐火混凝土
耐火混凝土是一种新型耐火材料，同耐火砖相比，具有制作工艺简单、使用方便、成本低等优点，并且适于机械化制作形状复杂的制品。电弧炉一般使用以高铝砖熟料为骨料。以磷酸或磷酸铝作为胶结剂的磷酸盐耐火混凝土。
2.3.3出钢槽耐火材料的设计
电弧炉炼钢一般为侧出钢，出钢槽衬体多采用镁质、高铝质、蜡石质、碳质或碳化硅质等材料，可以用砖砌筑，也可以捣打或振动浇注施工。出钢槽衬体采用小砖砌筑时，砖缝熔损严重，也易渗钢粘渣，难以清理。
在国内外，电弧炉出钢槽衬体普遍采用不定形耐火材料制作，其整体性好，使用寿命长，成本也低。施工方法分为捣打、振动浇注和预制三种。目前，后两种方法是使用较多，特别是预制成整体出钢槽，能机械化吊装，发展前景广阔。
3 水冷炉壁设计
水冷炉壁布置，对于偏心底出钢电炉，水冷炉壁布置必须在距渣线200~300mm以上的炉壁上，占炉壁面积的80%~85%另外，采用水冷炉壁后，炉容积扩大，增加了废钢装入量。管式水冷挂渣炉壁有一定厚度的此炉壁可以抗击炉料撞击或炉料搭接打弧，以及吹氧不当造成的过热; 具有很好的挂渣能力; 采用分离式炉壳，易于拆卸和更换。
根据实际测算得到采用传统耐火村料的电弧炉炉壁的最大散热能力为(1. 7~2. 1) ⨯105kj /m 2∙h 。而不同功率水平的电炉精炼期炉壁受到的热负荷见表
3.1。
表3.1 热负荷标准
功率水平
热负荷kj /m ∙h 2普通功率 2.9 高功率 5.914 超高功率 8.4
由此可见，传统耐火村料炉壁远不能满足炉壁耐久化的条件，必须采取措施提高炉壁的散热能力。为此人们想尽办法，其中采用水冷构件作为炉壁的一部分是目前乃至将来段时问较理想的办法。但目前在一些普通功率的炉上采用内铸钢管的铸铁块式和焊接水箱式等的炉壁效果不明显。前者制作复杂且散热能力不足，后者冷却损耗大。易开裂褥大。这在高功率、超高功率并增加辅助热源的炉子上问题将更为突出。
3.1水冷壁的主要参数及特点
参考国内外资料和分析由国外引进的设备基础上下面我们以2吨超高功率电弧炉，从材质的选择，热流与平挂渣层的计算，到结构形式的确定，为电弧炉管式水冷炉壁的设计依据、 方法及步骤，参数见表3.2。
表3.2 水冷壁参数
序号
1
2
3
4
5 项目 变压器容量 公称容量 炉壳内径 炉膛直径 炉膛高度 单位 MV A T mm mm mm 数值 20 30 1815 1700 300 备注
6
7
8
9
10
11
12
13
14 允许废钢堆比 水冷壁内直径 水冷壁外直径 炉壁水冷面积 炉壁水冷块数 冷却水温升 平衡挂渣层厚度 水冷炉壁总水量 水冷炉壁水压 t/ m3 mm mm M 2 块 ℃ mm M 3/h M Pa 1.2 1700 1760 6.63 6 15~25 22~30 70 0.3~0.35 一次装入
管状水冷系统与其它水冷系统相比具有的优点：
(1) 水冷强度大于高功率、超高功率电炉高热流的需求，水冷面积超过 80%
(2) 结构强度高，能在恶劣条件下工作。
(3) 水冷组件的工作寿命可达2000炉次，设计时考虑到水冷块不但要具有互换性，而且可在垂直方向旋转180°。后继续使用，以提高使用寿命。
(4) 焊缝少，且所有焊缝都能从外部看到，没有任何内焊缝。焊缝的密合性和均一性可以容易测得，因而减少热裂。
(5) 保证大量挂渣，相邻管间距为11mm ，组件背后焊有加固条，管前有挂渣钉，这样使耐火村料不但在用前容易打结，用时容易挂渣，而且渣不易脱落。
在管间形成20~30mm的波形挂渣层，起到热屏的作用。由于热应力的作用， 在管子与渣层之间会形成一薄的空气层，因而更增加了绝热作用；
(6) 冷却水的耗量小（与水箱型系统相比），由于挂渣条件好在温升15~25℃时最大耗量为6~8m 3/h m 2；
(7) 制造工艺简单，组件本身的机加工量极少 ；
(8) 使用安全，由于设计系统能保证任何时间流速都均匀一致，在横截面上各点也无变化不会形成涡流也不会结垢而破坏热传导。因而，不会出现烧穿漏水的危险。由于采用厚壁管子15mm 完全能够承受装重废钢时的冲撞，即使在6~8mm管壁被烧化时，剩下的壁厚仍能经受住内部和外部的压力，而正常工作。
(9) 维护和控制十分简便，设计的组件可实现快速安装、更换、拆卸，冶炼过程中更换一块炉壁水冷块可在15分钟内完成，每个水冷组件都进行压力、温度、流量的测定，并对最低流量60，最高温度55℃时报警。
3.2水冷组件材质选择
对于我们采取的结构形式——管状水冷组件，对它的村质要求熔点高、导热系数大、耐热能好、强度大，还要有良好的焊接性能。根据这些要求，可选YB529-70,20。锅炉用高压无缝铜管也可以用YB231-70,20无缝钢管，均为热轧钢管。
3.3水冷炉壁冷却水耗量的确定
3.3.1炉壁最大热流的选择
电弧炉的主要热源是电弧的辐射热，可视为点热源。所以认为电弧炉炉
壁热点区所受到的辐射强度即为炉壁最大热流。实际上尚有炉渣的迪靛作用( 泡沫程度越高，作用越大) 。精练期还常伴有功率的降低等均使水冷组件上实际受到的热流值小于此值。另外国外几台炉子炉壁热流值见表3.3。
表3.3 炉壁热流值
国别
条件
热流值 苏联 100T/75MVA,100T/60MVA 5.4 4.8 日本 高功率炉 ≥5.9 美国 85/T45MVA 4.6
本课题选定水冷炉壁的最大热流q '
max =8. 8⨯105kj /m 2∙h
3.3.2水冷面积的确定
考虑到电炉的高功率化等可选用大面积水冷，考虑操作上安全，即炉子前倾 10°、后倾20°钢水不能接触水冷炉壁，以及强化冶炼、熔池上涨等。水冷面积占炉壁面积的80 %
经计算调整得水冷面积为：S=π*D1*(h3+H+H1)*80%=67.75m 2
3.3.3冷却水流量的确定
由式 G =q ∙S /(∆t ∙C ) 式(3.3) 式中：∆t ——温升，∆t =15~25℃，取∆t =20℃；
C ——水的比热，C =4186kj/m3℃
计算得 G =716m3/h
单位面积：g =10. 5m 3/m 2∙h
几台管状水冷炉壁炉子的水充量见表3.4：
表3.4 水充量
名称
水流量 HWT 公司（西） 4.8~7.2 苏联100T60MV A 5.6~5.8 意大利30T 8.3
从表可以看出所设计的水流量已达到国外高功率炉的上限。
由前式可知：G ∝q /∆t 式(3.4)
热流 q 的大小，取决于冶炼期，变化很大，通过温差∆t 表现出来。因而可根据出水温度变化来及时调整水流量。
3.3.4炉壁水冷组件管径的选择
为使组件内水不发生局部沸腾而导致结垢破坏，要求实际水流速度大于临界流速，即V >V 局沸。
由下列式可以确定消除局部沸腾所需的速度值：
V 局沸=10-5q D 0. 2[]1. 25 式(3.5)
式中：q ——热流密度q =8. 8⨯105kj /m 2∙h
D ——管内流体直径，即管内径，m 。
再由式 G =900πD 2V ⨯N 式(3.6) 式中V ——水流速度，m/s；
N ——水冷组件块数，这里N =6；
由上两式可以看出它们均是V-D 关系式，当V =V 局沸时，D =D m ax ，联立前两式解得管子的极限内径D max 为
D m ax =0. 026m
此时，V 局沸=6. 0m/s
也就是说如果壁内径D>26mm (而不增加流量) 时V
沸腾，此时水中Mg 与Ca 的碳酸盐筑会沉淀而形成水垢，使水冷挂渣炉壁的散热能力减弱，挂渣面过热导致臂子烧损。
因此，要求 D
V =6. 6m /s >V 局沸
为避免机械擅击和误操作引起烧损等，选管壁厚为10mm 热轧无缝铜管，标记：管φ80⨯14。
3.3.5 水冷炉壁结构
考虑加工制作及安装维护等，水冷组件管道采取
纵向排布。为了防止意外、同定水冷组件及更好地与
下部耐材的连接，在水冷组件与炉壳问留有空隙，填
充耐材粉料。为了有利大量挂渣等，水冷组件管道间
要有一定间隙来粘合耐火村料，（一般为8-20mm ）。
考虑以上两因素，计算后确定如下 ：
水冷组件与炉壳间隙为：30mm
水冷炉壁外径为：5949 mm
水冷炉壁由六块宽度相等的水冷组件组成，这样设计：
① 有合适的单重；
② 加工、翻造简单；
③ 水冷组件问有一定互换性；
④ 水冷组件间联接处与炉壁热点错开等。
为了提高水冷组件的使用寿命，在布置水冷组件的进出水、吊挂及支承时， 要考虑水冷组件可以垂直旋转180°使用。目前乃至将来一段较长的时间里，电弧炉炉衬的水冷将是炉壁耐久化的较理想办法。尤其电弧炉功率达到高功率、超高功率水平时，炉衬若不采用水冷技术 ，不但不会带来高效率，反而会带来高消耗。 而管式水冷炉壁将是最佳选择。
3.4水冷炉盖
超高功率电弧炉的水冷炉盖形式有管式和喷
淋式，本设计选用管式，其材质为铜。整个水冷
炉盖可由一个水冷构件组成或由5~6个水冷构件
组成。采用超高功率电弧炉冶炼，为了延长炉盖
的使用寿命，采用水冷炉盖，该炉盖由上下两层
钢板焊接而成，上薄下厚，其厚度各为20mm ，
30mm ，水冷层厚度为200mm 。内衬挂渣铆钉为20mm 。炉盖内径的确定
D g =D +2δC . 式（3.8） 式中：D g —水冷炉盖的直径，mm ；
D —熔化室直径，mm ；
δc —添加系数，取其值为300mm ；
故：D g+2δc =6345.2+600=6945.2mm
炉盖上面开五个孔，其中三个位电极孔，电极周围砌有耐火砖。一个为排尘孔。
3.5水冷炉壁、水冷炉盖的安装
采用框架悬挂式安装，其特点炉壁、炉盖无完整钢板炉壁、水冷炉盖组成完整的炉体。为便于运输、安装、维护以及提高寿命，将装有水冷炉壁的炉体制成上下两部分，在水冷炉壁的下沿与炉底及渣线分开，采用法兰连接。
4变压器功率和电参数的确定
4.1变压器功率的确定
电炉的生产率决定于电炉的容量，变压器的功率，电炉全年的工作天数，冶炼周期，电效率和热效率。影响电炉工作的因素很多。目前，电炉利用系数以1000kV·A 变压器功率昼夜的合格钢产量定为电炉生产率的标准。
确定变压器功率的目的是为了选择与电炉容量相匹配的变压器。变压器功率的确定是一个比较复杂问题，它受电炉的容量，冶炼时间，炉衬材质，电效率、热效率等许多因素的影响。为了简化计算，把变压器功率于炉壳直径D 壳联系起
来，抛开其他影响因素。研究发现变压器功率与炉壳直径D 壳存在如下关系。当
炉壳直径D 壳已知时，可用下面经验公式选择变压器的额定功率。
P 视=
110D 壳3. 32τ 式(5.1)
式中， P 视—变压器视在功率，kV·A ；
D 壳—炉壳外径，m ；
τ—额定装量时的熔化时间，0.75h 。
通过对炉体和耐火材料的计算可以知道D
117905.7KV .A 壳为7.5m ，从而计算出P 视为
4.2电极直径设计
电极是将电流输入熔炼室的导体，当电流通过电极时，电极会发热，此时会有8%左右的电能损失。当功率一定时，电极直径减小，电极上电流密度增大，电能损失增大，电极直径增大，电极上电流密度减小，电能损失减小，因此希望电极直径大点，但太大，电极表面热量损失增加，所以电极直径又不能太多，应有一个合适值。根据经验，电极直径可按下式确定。
d 电极= 0. 406I 2ρK 式(5.2)
式中，ρ—石墨电极500℃时电阻系数Ω·m；ρ石墨=100Ωmm2/m；
K —系数，对石墨电极K=2.1W/cm2；
I —电极上的电流强度，A ；
I =
1000P 视U 式(5.3) 式中，U —最高二次电压。
带入数据计算出I =255124.37A，d 电极=108mm
不同尺寸电极I /S 值见下表5.1。
河北工业职业技术学院毕业设计（论文） 3 水冷炉壁设计
表5.1 I/S值
d 电极/mm
（I/S）/（A/cm2） 100 28 200 20 300 17 400 15 500 14 600 12
为了减少电极消耗，露出炉顶外的那部分电极温度：石墨电极不超过500℃，为此电极上电流密度也不应超过该尺寸电极的I/S允许值，以免电极温度过高。
4.3电极心圆直径设计
d 三级心：过三个电极极心的圆周直径。
d 三极心过小，三根电极彼此靠的比较近，电极距离炉壁远，对炉壁寿命有利，
但是，炉坡上的炉料难熔化，熔池加热不均匀，炉顶中心结构强度差，容易损坏，并且电极把持器上下移动困难。如果电极芯圆直径太大，电弧距炉壁近，加剧炉衬的损坏。
电极心圆直径的经验值为：
d 三极心=（0.25～0.3）D
式中，D —熔池直径。
代入数据算出d 三级心=1766mm
5参考文献
6结束语
18
河北工业职业技术学院毕业设计（论文）
电弧炉炉体设计
学生姓名： 李 勇 瑞
学生学号：
院（系）： 材料工程系
年级专业： 2010级冶金技术专业
指导教师： 董中奇 助教
助理指导教师：
二〇一二年十二月
摘 要
电弧炉炼钢是靠电弧进行加热的，其温度可以高达2000℃以上，热效率比平炉、转炉炼钢高。由于没有可燃烧气体，根据工艺要求可在各种不同的气氛中进行加热，这能保证冶炼含磷、硫、氧低的优质钢，用各种元素来使钢合金化，也能炼出各种类型的优质钢和合金钢。110吨电弧炉炉体设计，设计的内容包括电弧炉炉型的尺寸和耐火材料的厚度、辅助的水冷壁、偏心底出钢的位置、变压器功率和电参数、配料计算等，利用CAD 软件完成电弧炉炉体及耐火材料的图形绘制。设计的电弧炉用材经济节省，结构合理，尺寸合理实用。
关键字：电弧炉，炉体，耐火材料，CAD
摘 要.............................................................................................................................. 2
1 绪论............................................................................................................................ 1
1.1前言 .................................................................................................................................... 1
1.2关于电弧炉的概述 . ............................................................................................................ 1
1.2.1 电弧炉的优缺点 . .................................................................................................... 1
1.2.2电弧炉的分类 . ......................................................................................................... 2
1.2.3电弧炉的特征及组成 . ............................................................................................. 2
1.2.4电弧炉对耐火材料的要求 . ..................................................................................... 3
1.2.5电弧炉的冶炼工艺 . ................................................................................................. 3
2 电弧炉炉型尺寸设计................................................................................................ 4
2.2熔池的形状......................................................................................................................... 5
2.2.1熔池直径和深度设计 . ............................................................................................. 6
2.2.2熔炼室尺寸设计 . ..................................................................................................... 6
2.3电弧炉炉衬的确定 . ............................................................................................................ 8
2.3.1电弧炉炉墙、炉底耐火材料选择及砌筑 . ............................................................. 9
2.3.2炉盖的耐火材料 . ................................................................................................... 10
3 水冷炉壁设计.......................................................................................................... 12
3.1水冷壁的主要参数及特点 . .............................................................................................. 12
3.2水冷组件材质选择 . .......................................................................................................... 13
3.3水冷炉壁冷却水耗量的确定 . .......................................................................................... 14
3.3.1炉壁最大热流的选择 . ........................................................................................... 14
3.3.2水冷面积的确定 . ................................................................................................... 14
3.3.3冷却水流量的确定 . ............................................................................................... 14
3.3.4炉壁水冷组件管径的选择 . ................................................................................... 15
3.4水冷炉盖........................................................................................................................... 16
3.5水冷炉壁、水冷炉盖的安装 . .......................................................................................... 16
4变压器功率和电参数的确定................................................................................... 17
4.1变压器功率的确定 . .......................................................................................................... 17
4.2电极直径设计 . .................................................................................................................. 17
4.3电极心圆直径设计 . .......................................................................................................... 18
5参考文献................................................................................................................... 18
1 绪论
1.1前言
近现代主要冶炼钢方法包括转炉炼钢、平炉炼钢法和电炉炼钢法法。但平炉炼钢法已基本淘汰，而电炉已取得长足的发展。转炉炼钢与电炉炼钢法最基本的区别在于，电炉炼钢法是靠电能作为热源，而且电弧炉炼钢是应用得最为普遍的电炉炼钢方法，转炉由钢水本身供热。我们通常所说的电炉炼钢，主要是指电弧炉炼钢，因为其他类型的电炉如感应电炉、电渣炉等所炼的钢数量较少。
电弧炉炼钢得到迅速发展的主要原因：
1) 废钢量逐年增加
2) 钢铁工业迅速增长。由于发电设备大型化和技术不断发展，可利煤用部分劣质粉发电，电的供应和价格相对比较稳定，使电炉炼钢有了比较可靠的能源基础。此外，电炉用废钢比高炉、平炉炼钢的能耗低。
3) 电炉趋向大型化、超高功率化，冶炼工艺化。
4) 投资少，基建速度快，投资回收时间短。
5) 钢液温度、成份易控制，品种适应性强，可冶炼牌号的钢多，同时还能间断性生产。
1.2关于电弧炉的概述
1.2.1 电弧炉的优缺点
电炉炼钢是世界各国生产特殊钢的主要方法，它具有以下的优点：
① 电炉炼钢的设备投资少、基建速度快；
② 炼钢的热能来自于电弧上，温度可高达4000～6000℃，并且直接作用在炉料上，热效率比较高，一般在65％以上。此外，冶炼中含有难熔元素W 、Mo 等高合金钢；
③ 电炉炼钢可以去除钢中含有的夹杂物和有害气体，以及去硫、脱氧、合金化等，以此来冶炼出高质量的特殊钢；
④ 电炉炼钢可采用热装或冷装，不受炉料的限制；
⑤ 适应性强，可连续生产也可间断生产。
电弧炼钢的缺点有：
① 电弧是点热源，炉内温度分布不均匀，熔池各部位温差较大；
② 炉气或水分，在电弧的作用下，能解离出大量的H 、N ，而使钢中的气体含量增高。随着电弧炉技术的发展和完善，以及废钢等代用品的开发与应用，电弧炉流程可以使用废铁、废钢作为代用品，甚至可以使用比较多的生铁进行生
产冶炼。因此，在全球角度看，以电弧炉炼钢技术为代表的短流程钢厂生产的前景十分广阔。
1.2.2电弧炉的分类
电弧炉炼钢是利用电极上电弧产生的高温来熔炼金属和矿石的电炉。然而在气体放电形成的电弧时能量非常集中，弧区温度达到在3000℃以上。对于熔炼金属，电弧炉比其他炼钢炉工艺效率更高，能有效地除去硫、磷等杂质，炉温容易控制，设备占地面积小，适于优质合金钢的冶炼。电弧炉可以按电弧的形式来分为单相电弧炉、电阻电弧炉和自耗电弧炉等类型。
单相电弧炉：这类电弧炉用单相交流电供电, 炉料在电弧间接加热, 单相电弧炉多用于铜和铜合金的熔炼。
电阻电弧炉：炉子结构与炼钢电弧炉相似。工作时，电极下端埋在炉料内起弧，除电极与炉料间的电弧发出热量外。由于，炉料也有很大的电阻，因此电流通过炉料时炉料电阻也产生很大的热量。这类电弧炉主要用于矿石的冶炼, 因此又称矿热炉。
自耗电弧炉：这种电弧炉的电极作为被熔炼钢的原料。熔炼时，随着原料的不断被熔化，电极不断下降。熔化的钢水滴入用水冷却的紫铜筒形坩埚内，冷凝成钢锭。这种炉子主要用于合金钢的熔炼。用于熔炼钛、锆、钨、钼、钽、铌等活泼金属和难熔金属的自耗电弧炉，常在真空下工作，故称为真空自耗电弧炉。
从工业应用上电弧炉可以分为三类：
第一类直接加热式，电弧是发生在专用的电极棒和被熔炼的炉料之间，炉料直接由来电弧加热。主要用于炼钢，其次还用于熔炼铁、铜、耐火材料、精炼钢液等。
第二类间接加热式，是在两根专用电极棒之间产生电弧，炉料受到电弧的辐射热，多用于熔炼铜、铜合金等。这种电弧炉由于噪声大，熔炼质量差，所已逐渐被其它炉类所取代。
第三类矿热炉，主要是以高电阻率的矿石为原料，在冶炼过程中电极的下部一般是埋在炉料中的。该电炉加热原理是：利用电流通过炉料时，炉料电阻产生的热量，同时利用了炉料和电极间的电弧产生的热量。所以又称为电弧电阻炉。
1.2.3电弧炉的特征及组成
电炉炼钢主要使用电弧辐射进行加热，有时用重油或吹氧加速熔炼，以降低电能消耗，提高产量。电炉炉内温度高，气氛变化大，冶炼周期短，同时在冷态时进炉料。因此，电炉炉衬常处于高温、熔渣侵蚀和急冷急热的状态，工作条件苛刻。电炉炉衬因部位不同，采用的耐火材料及其损毁机理也是不同的。电弧炉
炉顶(即炉盖) 带有电极孔和排烟孔的球面形结构外环部分称为主炉顶，中间部分称为小炉顶。炉顶能吊起成旋转，以便装炉料。炼钢电炉系由炉顶、炉墙和炉底等几个大部分组成。电弧炉的组成包括：
① 电源部分：电炉变压器（整流器）、高压供电、低压电气控制柜等； ② 电极部分：电极升降装置、导电横臂、电极类等；
③ 炉体部分：炉壳、炉盖、炉体倾转机构等；
④ 短网部分：导电铜排、水冷电缆等；
⑤ 冷却水系统。
1.2.4电弧炉对耐火材料的要求
耐火材料的生产主要包括原料的加工、配料与混练、砖坯的成型、砖坯干燥、制品烧成等几个步骤。耐火材料通常是指主要有无机非金属材料组成的且耐火度不低于1580℃的材料和制品。耐火材料是为高温技术服务的基础材料。它与高温冶炼工业的发展有着密切的关系，相互依存，互为促进，共同发展。在一定条件下，耐火材料的质量品种是高温技术的发展期的关键。
1.2.5电弧炉的冶炼工艺
上炉出钢→补炉→装料→熔化期→氧化期→还原期→出钢
补炉：上炉出钢毕，迅速将炉体损坏部位进行修补，以保证下一炉钢的冶炼。新炉子在炉役期的前几炉可不补炉。
装料：将配好的炉料按一定规律装入料罐中，然后将料罐吊至炉前，打开炉盖，将炉料一次卸入炉内。一炉钢可视情况一次装料或多次装料。
熔化期：从通电至炉料完全熔清称为熔化期。其主要任务是迅速熔化全部炉料，并及早形成一定的炉渣，起到稳定电弧、防止金属挥发与吸气，提早脱P 等作用。 氧化期：待炉料全部熔清后，取样分析，进入氧化期。其主要任务是最大限度地脱P 、去除钢中气体（[H]、[N]）和非金属夹杂物，并升温至稍高于出钢温度。
还原期：氧化期任务完成后，停电扒除氧化渣，重新造新渣，进入还原期。其主要任务是脱O 、脱S ，调整钢液的成分和温度。
出钢：当钢液成分和温度均符合出钢要求，则打开出钢口，摇炉出钢。出钢时要做到钢渣混冲，利用钢渣在钢包中激烈运动，最大限度地脱S ，并防止二次氧化、二次吸气。
2 电弧炉炉型尺寸设计
。
2.1电弧炉的设计要求
电弧炉的整体设计是包括机械、电气、热工、冶炼、耐火材料等多个方面。随着钢质量要求不断的提高，冶炼工艺不断革新，因而也向炉子结构设计（包括耐火材料砌衬）设计提出了更高的要求。正确设计电弧炉应保证炉子生产率高，电能、耐火材料和电极的单位消耗低，同时应满足多品种的钢冶炼时冶金反应的顺利进行。因此必须考虑如下几个方面：
1) 选定大功率变压器；
2) 提高热效率和电效率，即减少热损失和电损失；
3) 采用高质量耐火材料砌筑炉衬；
4) 炉子各部分的形状、尺寸和结构设计合理，钢与渣接触面适当增大，以促进熔池中冶金反应顺利进行，提高钢质量；
5) 炉子熔炼室容积应能一次装入中等堆比重的全部炉料；
6) 炉子倾动30°～45°能保证全部钢液顺利流出。
计算参数要求：
1) 求出炉内钢液和熔渣的体积，一般常以炉容量的公称吨位来进行计算；
2) 计算熔池直径和熔池深度；
3) 确定熔炼室直径和熔炼室高度；
4) 确定炉顶拱高和炉盖厚度；
5) 决定各部分炉衬尺寸和炉壳直径；
6) 决定变压器功率与电压级数和大小；
7) 求出电极直径；
8) 确定电极分布圆直径即三极心圆直径。
2.2熔池的形状
电弧炉的大小以其额定容量（公称容量）来表示，所谓额定容量是指新设计的电炉熔池所能容纳的钢水量。熔池：容纳钢液和熔渣的那部分容积。熔池的容积应能足够容纳适宜熔炼的钢液和熔渣，并留有余地。电弧炉熔池的形状应利于冶炼反应的顺利进行，砌筑容易、修补方便。目前使用的一般为锥球形熔池，上部分为倒置的截锥，下部分为球冠（如下图所示）。球冠形电炉炉底使得熔化了的钢液能积蓄在熔池底部，迅速形成金属熔池，加快炉料的熔化并及早造渣去磷。截锥形电炉炉坡便于补炉、炉坡倾角45°。
图2.1 电弧炉尺寸图
熔池尺寸的计算
熔池容积V 池。
根据 V 池=V 液+V 渣 式(2.1)
V 液=T ρ液 式(2.2)
式中 T —出钢液量；ρ液-钢液密度，6.8～7.0t/m3。
V 渣=G 渣ρ渣 式(2.3)
式中 G 渣-按 氧化期最大渣量计算，钢液量的7%（碱性）；ρ渣—3～4t/m3
2.2.1熔池直径和深度设计
在计算熔池直径D 和深度H 之前，首先得确定一个合适的D /H 值。在熔池容积一定的条件下，D /H 越大，熔池越浅。熔池容积一定，熔池越浅，熔池表面积越大，即钢、渣界面越大，有利于钢渣之间的冶金反应。因此，希望D /H 大一些，但是D /H 太大，则熔池直径和熔炼室直径都增大，于是路壳直径增大，导致D 壳太大，炉壳散热面积增加，电耗也增大，所以D /H 又不能过大。
若D /H 太小，熔池太深，则钢液加热困难，温度分布不均匀性大。在氧化期内应对金属进行良好的加热，并对熔池中的金属进行强烈沸腾搅拌，以促使金属成分和温度均匀。当选定炉坡倾角45°时，一般取D /H =5左右较合适。由截锥体和球冠体的体积计算公式可知，熔池的计算公式为：
d 22V 池=h （D +d D +d ）+h （3⨯+h 211）1264 式(2.4) π22π
式中 h 1—球冠部分高度，一般取h 1=H /5；
h 2—截锥部分高度，h 2=H -h 1=4/5H ；
D 熔池液面直径，通常采取D /H =5，即D =5H ；
d —球冠直径，因d =D -2h 2=5H -8/5H =17/5H ，
因此熔池计算为式2.5
整理得：
V 池=12. 1H 3=0. 0968D 3
2.2.2熔炼室尺寸设计 式(2.5)
熔炼室指熔池以上至炉顶拱基的那部分容积，其大小为一次装入容积密度中
的全部炉料。
① 熔炼室直径D 熔
为了防止钢液沸腾或炉渣到达炉坡与炉壁砖交界处（薄弱处）时炉渣冲刷炉壁砖，炉坡应高于炉门槛（渣面与炉门槛平齐）约100 mm左右，即当选定炉坡倾角为45°时：
D 熔=D +2×100 式(2.6)
② 熔炼室高度H 1
从延长炉盖寿命和多装轻薄料考虑，希望熔炼室高度H 1大些，因为增大熔炼室高度H 1，炉盖距电弧和熔池面距离远，炉盖受到的辐射热会相对少一些，炉盖寿命长。另外，熔炼室高度H 1越大，装轻薄料多。但是如果熔炼室高度H 1太大会导致：
1) 炉壳散热面积大→电耗多；
2) 电极长→电阻大。
金属炉门槛至炉顶拱基的空间高度为熔炼室高度。炉衬门槛较金属门槛高出80~100mm。
经验值： H 1=0. 50~0. 54
H 1=0. 44~0. 40 >40t电炉 D
取0.42 则H 1=0.42D
③炉顶高h 3
炉顶高度h 3与熔池室直径D 有如下关系：
h 3=1/7~1/9（因炉顶砖而异） 式(2.8) D 熔
至此，渣面至炉顶中央高度H 2=H1+h3
④ 熔炼室上缘直径D 1
通常熔炼室设计成上大下小倾斜形的，即D 1>D熔，炉壁上部薄下部厚，这种形状的熔炼室增强了炉壁的稳定性，炉壁较稳固，并且容易修补，同时使熔炼室的容积增大，可多装轻薄料。另外下部的炉衬接近于炉渣，侵蚀快些，炉衬下厚上薄可以使整个熔炼室炉衬寿命趋于均匀。其炉墙内侧倾斜度，一般为炉坡水平面至拱基高度（H 1—100）的10%左右；所以：
D 1=D 熔+2⨯（H 1-100）⨯10%
⑤ 炉门尺寸的确定 式(2.9)
一般电炉设一个加料炉门和一个出钢口，其位置相隔180°。确定炉门尺寸
要考虑以下因素：便于顺利观察炉况，能良好地修补炉底和整个炉坡，采用加料机加料的炉子，料斗应能自由进入，能顺利取出折断的电极。炉门尺寸的经验值：
炉门宽度=（0.25~0.3）D 熔 式(2.10)
炉门高度=0.8×炉门宽度 式(2.11)
为了密封，门框应向内倾斜8°~12°。
⑥ 出钢口和流钢槽
出钢口的位置：出钢口下缘与炉门槛平齐或高出100~150mm。出钢口为圆形孔洞，其直径为120~150mm。
流钢槽：外壳用钢板或角钢，断面为槽型，固定在炉壳上，内衬凹形预制砖（称流钢槽砖）。为了防止打开出钢口以后钢水自动流出，流钢槽应上翘，与水平面成10°~12°的角。
流钢槽长度与电炉在车间的布置方式及出钢方式相关。纵向或高架式布置同跨出钢的可以短一些，以减少钢水散热和二次氧化，一般1m 以下。横向地面布置异跨出钢的应长些，一般2m 以上。电弧炉容量是110吨，根据式式(2.1)到式(2.11)可求出：
熔池容积 V 池=110/7+7。7/4 m3 =4939/280 m3
熔池液面直径 D = 5669mm
熔池深度 H = 1134mm
熔炼室高度 H 1= 0.42*5669=2381mm
熔池室直径 D 熔= 5889mm
熔炼室上边缘直径 D 1=6345.2mm
熔炼池高度 H 2 = H2=H1+h3= 3117.125mm
球冠部分高度 h 1 = 1/5H=226.8mm
球锥部分高度 h 2 = 4/5H=907.2mm
球冠直径 d = 17/5H=3855.6mm
炉顶高度 h 3 =1/8 D熔=736.125mm
炉门槛 h 0=100mm
炉门宽度= 0.3 D熔= 1766.7mm 炉门高度= 1413.36mm
2.3电弧炉炉衬的确定
由于电弧炉内部生产环境很复杂，因而对耐火材料的使用要求相对苛刻，以适于电弧炉的生产条件，提高生产率，降低生产成本应具备：
1）高耐火度。电弧温度在4000℃以上，炼钢温度常在1500~1750℃，有时甚至高达2000℃，因此要求耐火材料必须有高的耐火度。
2）高荷重软化温度。电弧炉炼钢过程是在高温载荷条件下工作的，并且炉
体要受钢水的冲刷，因此耐火材料必须有高的荷重软化温度。
3）良好的热稳定性。电弧炉从出钢到装料时间内温度急剧变化，温度由原来的1600℃左右骤然下降到900℃以下，因此耐火材料必须具有良好的热稳定性。
4） 抗渣性好。 在炼钢过程中，炉渣，炉气，钢液对耐火材料强烈的化学侵蚀，因此耐火材料有良好的抗渣性。
5） 高耐压强度。电弧炉衬在装料时受炉料的冲击，冶炼时受钢液的静压，出钢是受钢液的冲刷，操作时又受机械振动，因此耐火材料必须有高的耐压强度。
6）低导热性。为了减少电弧的热损失，降低电能消耗，要求耐火材料的导热性要差，即导热系数要小。
2.3.1电弧炉炉墙、炉底耐火材料选择及砌筑
炉墙和炉底的工作条件同炉大致相当，易受到电弧的高温辐射，在极高的温度条件下工作，经常受到急冷作用。比炉盖更严重的是炉墙和炉底直接同钢水、炉渣接触，受到钢水的冲刷和炉渣的侵蚀，并且装料时还受到炉料的撞击。因此，选用优质的耐火材料就显得非常重要，尤其是与炉渣接触部位和接近电弧热点的部位要求更高，常用的耐火材料如下：
① 镁砂
镁砂是砌筑碱性电弧炉炉衬的主要材料之一，用来打结炉底和炉坡，也可用来制作镁砖。同时又是补炉的主要材料。镁砂是由天然的菱镁矿在1650℃温度下煅烧而成的。镁砂的耐火度可达到2000℃以上，有较好的抵抗碱性炉渣的侵蚀的能力。但其热稳定性差，导热系数大。镁砂的主要成分是氧化镁≥85%，也含有少量杂质。
② 白云石
白云石也是砌筑碱性电弧炉炉衬的主要材料之一，用作炉墙和补炉材料，也可制作成白云石砖。白云石的耐火度也在2000℃以上，它能抵抗碱性炉渣的侵蚀，热稳定性比镁砂好，但白云石易吸水粉化，因此应尽量缩短白云石从烧成到使用的时间。
③ 石英砂
石英砂是砌筑酸性电弧炉炉衬的主要材料之一，用来砌炉底和炉坡，也用作酸性电弧炉的补炉材料。纯的石英砂为水晶透明体，含有少量杂质时为白色，杂质愈多就愈呈暗灰色，电弧炉用的石英砂大多为白色。
④ 各种耐火砖
粘土砖主要作为电弧炉炉墙和炉底用的耐火材料，故耐火度和荷重软化温度低，因而用作隔热砖，砌在靠近炉壳的部位。在粘土砖的里面再砌镁砖和其他碱
性砖。镁铝砖由于原料缺乏，价格较贵，用的较少。硅砖用于酸性电弧炉。
炉壁衬砖厚度由按耐火材料热阻计算确定，计算依据的是炉壳在操作末期被加热的温度不大于200℃，防止炉壳变形。总的来说，增加炉壳厚度，炉壳受热及热损失可以减少，这在一定程度上正确的，但是炉壳厚度δ增加与热损失减少并非线性关系，当厚度δ达到一定值以后，再增加炉衬厚度δ，热损失减少不显著，反而因为厚度δ增加过大，而增加炉壳直径D 壳，耐火材料消耗增加，所以
比较经济的办法是选择优质材料，使用较薄的炉衬。
炉底的组成：绝热层→保护层→工作层 如图2.2
绝热层的组成：石棉板（200-50℃）→硅藻土粉（600-200℃）→粘土砖（1000-600℃），砖缝应不大于2mm ，缝隙用硅藻土粉或者粘土砖粉填充。
保护层的组成：镁砖（1400-1000℃）
工作层的组成：镁砖（1700-1400℃）
图2.2 炉底耐火材料 图2.3 炉墙耐火材料
绝热层砌筑时砖缝不应大于2mm ，缝隙用硅藻土粉或粘土砖粉填充。保温层，其作用是保证熔池的坚固性，防止漏钢砌筑方法有平砌、侧砌和立砌。工作层是容纳钢液和炉渣的部位，因此必须保证它的质量，工作层成形方法分打结、振动和砌筑。保温层通常紧贴炉壳钢板处用一层石棉板，再砌筑一层粘土砖。工作层直接与钢渣接触，热负荷高，化学腐蚀严重，机械冲刷作用剧烈。砌筑方法有机制小砖砌筑，大块镁砖装配，整体打结和整体振动形成。
炉墙的组成 ： 保温层→工作层 如图2.3
保温层的组成： 石棉板（200-50℃）→粘土砖（1200-200℃）
工作层的组成：镁砖（1700-1200℃）
2.3.2炉盖的耐火材料
炉盖在冶炼过程中长期处于高温状态，并且经常受到温度的剧烈变化的影响，受到化学侵蚀和机械振动作用，所以工作条件十分恶劣。炉盖各部分的尺寸
应符合要求，砖缝不大于2mm ，砖与砖高低凹凸差不大于5mm ，砌筑完毕后应进行干燥。炉盖用的耐火材料有以下几种：
1. 硅砖
硅砖由天然石英岩或石英砂加工制成。由于硅砖有很高的荷重软化温度，较高的耐火度，同时具有质量小、价格便宜等优点，因此曾是碱性电弧炉炉盖的主要材料，因为硅砖的热稳定性差又随着电弧炉热负荷的提高，硅砖的耐火度低也成为主要问题（硅砖炉盖使用寿命一般不超过50炉）。
2．高铝砖
高铝砖是指含三氧化二铝大于46%的硅酸铝质耐火材料，它的原料是高铝矾土矿。高铝砖与硅砖相比，具有耐火度高、热稳定性好、抗渣性好和耐压强度高等优良性能，加之我国矾土矿储备量又多，所以目前它是我国碱性电弧炉炉盖的主要材料。
3. 碱性砖
碱性砖是比较新型的炉盖用砖，现在各国使用的碱性炉盖砖就其材质而言有镁质、白云石质、镁铝质等。它们具有高的耐火度和良好的抗氧化铁渣的能力，在苛刻冶炼条件下的使用性能比高铝砖好，使用寿命长
4. 耐火泥
在砌制炉盖时用耐火泥与卤水或净水调和成耐火泥浆，其作用是填充砖缝， 使砌体具有良好的紧密型，防止气体通过，避免炉渣渗透。耐火泥有粘土质、硅质、高铝质等几类，它们的主要成分和理化指标与相应的耐火砖基本相同。
5. 耐火混凝土
耐火混凝土是一种新型耐火材料，同耐火砖相比，具有制作工艺简单、使用方便、成本低等优点，并且适于机械化制作形状复杂的制品。电弧炉一般使用以高铝砖熟料为骨料。以磷酸或磷酸铝作为胶结剂的磷酸盐耐火混凝土。
2.3.3出钢槽耐火材料的设计
电弧炉炼钢一般为侧出钢，出钢槽衬体多采用镁质、高铝质、蜡石质、碳质或碳化硅质等材料，可以用砖砌筑，也可以捣打或振动浇注施工。出钢槽衬体采用小砖砌筑时，砖缝熔损严重，也易渗钢粘渣，难以清理。
在国内外，电弧炉出钢槽衬体普遍采用不定形耐火材料制作，其整体性好，使用寿命长，成本也低。施工方法分为捣打、振动浇注和预制三种。目前，后两种方法是使用较多，特别是预制成整体出钢槽，能机械化吊装，发展前景广阔。
3 水冷炉壁设计
水冷炉壁布置，对于偏心底出钢电炉，水冷炉壁布置必须在距渣线200~300mm以上的炉壁上，占炉壁面积的80%~85%另外，采用水冷炉壁后，炉容积扩大，增加了废钢装入量。管式水冷挂渣炉壁有一定厚度的此炉壁可以抗击炉料撞击或炉料搭接打弧，以及吹氧不当造成的过热; 具有很好的挂渣能力; 采用分离式炉壳，易于拆卸和更换。
根据实际测算得到采用传统耐火村料的电弧炉炉壁的最大散热能力为(1. 7~2. 1) ⨯105kj /m 2∙h 。而不同功率水平的电炉精炼期炉壁受到的热负荷见表
3.1。
表3.1 热负荷标准
功率水平
热负荷kj /m ∙h 2普通功率 2.9 高功率 5.914 超高功率 8.4
由此可见，传统耐火村料炉壁远不能满足炉壁耐久化的条件，必须采取措施提高炉壁的散热能力。为此人们想尽办法，其中采用水冷构件作为炉壁的一部分是目前乃至将来段时问较理想的办法。但目前在一些普通功率的炉上采用内铸钢管的铸铁块式和焊接水箱式等的炉壁效果不明显。前者制作复杂且散热能力不足，后者冷却损耗大。易开裂褥大。这在高功率、超高功率并增加辅助热源的炉子上问题将更为突出。
3.1水冷壁的主要参数及特点
参考国内外资料和分析由国外引进的设备基础上下面我们以2吨超高功率电弧炉，从材质的选择，热流与平挂渣层的计算，到结构形式的确定，为电弧炉管式水冷炉壁的设计依据、 方法及步骤，参数见表3.2。
表3.2 水冷壁参数
序号
1
2
3
4
5 项目 变压器容量 公称容量 炉壳内径 炉膛直径 炉膛高度 单位 MV A T mm mm mm 数值 20 30 1815 1700 300 备注
6
7
8
9
10
11
12
13
14 允许废钢堆比 水冷壁内直径 水冷壁外直径 炉壁水冷面积 炉壁水冷块数 冷却水温升 平衡挂渣层厚度 水冷炉壁总水量 水冷炉壁水压 t/ m3 mm mm M 2 块 ℃ mm M 3/h M Pa 1.2 1700 1760 6.63 6 15~25 22~30 70 0.3~0.35 一次装入
管状水冷系统与其它水冷系统相比具有的优点：
(1) 水冷强度大于高功率、超高功率电炉高热流的需求，水冷面积超过 80%
(2) 结构强度高，能在恶劣条件下工作。
(3) 水冷组件的工作寿命可达2000炉次，设计时考虑到水冷块不但要具有互换性，而且可在垂直方向旋转180°。后继续使用，以提高使用寿命。
(4) 焊缝少，且所有焊缝都能从外部看到，没有任何内焊缝。焊缝的密合性和均一性可以容易测得，因而减少热裂。
(5) 保证大量挂渣，相邻管间距为11mm ，组件背后焊有加固条，管前有挂渣钉，这样使耐火村料不但在用前容易打结，用时容易挂渣，而且渣不易脱落。
在管间形成20~30mm的波形挂渣层，起到热屏的作用。由于热应力的作用， 在管子与渣层之间会形成一薄的空气层，因而更增加了绝热作用；
(6) 冷却水的耗量小（与水箱型系统相比），由于挂渣条件好在温升15~25℃时最大耗量为6~8m 3/h m 2；
(7) 制造工艺简单，组件本身的机加工量极少 ；
(8) 使用安全，由于设计系统能保证任何时间流速都均匀一致，在横截面上各点也无变化不会形成涡流也不会结垢而破坏热传导。因而，不会出现烧穿漏水的危险。由于采用厚壁管子15mm 完全能够承受装重废钢时的冲撞，即使在6~8mm管壁被烧化时，剩下的壁厚仍能经受住内部和外部的压力，而正常工作。
(9) 维护和控制十分简便，设计的组件可实现快速安装、更换、拆卸，冶炼过程中更换一块炉壁水冷块可在15分钟内完成，每个水冷组件都进行压力、温度、流量的测定，并对最低流量60，最高温度55℃时报警。
3.2水冷组件材质选择
对于我们采取的结构形式——管状水冷组件，对它的村质要求熔点高、导热系数大、耐热能好、强度大，还要有良好的焊接性能。根据这些要求，可选YB529-70,20。锅炉用高压无缝铜管也可以用YB231-70,20无缝钢管，均为热轧钢管。
3.3水冷炉壁冷却水耗量的确定
3.3.1炉壁最大热流的选择
电弧炉的主要热源是电弧的辐射热，可视为点热源。所以认为电弧炉炉
壁热点区所受到的辐射强度即为炉壁最大热流。实际上尚有炉渣的迪靛作用( 泡沫程度越高，作用越大) 。精练期还常伴有功率的降低等均使水冷组件上实际受到的热流值小于此值。另外国外几台炉子炉壁热流值见表3.3。
表3.3 炉壁热流值
国别
条件
热流值 苏联 100T/75MVA,100T/60MVA 5.4 4.8 日本 高功率炉 ≥5.9 美国 85/T45MVA 4.6
本课题选定水冷炉壁的最大热流q '
max =8. 8⨯105kj /m 2∙h
3.3.2水冷面积的确定
考虑到电炉的高功率化等可选用大面积水冷，考虑操作上安全，即炉子前倾 10°、后倾20°钢水不能接触水冷炉壁，以及强化冶炼、熔池上涨等。水冷面积占炉壁面积的80 %
经计算调整得水冷面积为：S=π*D1*(h3+H+H1)*80%=67.75m 2
3.3.3冷却水流量的确定
由式 G =q ∙S /(∆t ∙C ) 式(3.3) 式中：∆t ——温升，∆t =15~25℃，取∆t =20℃；
C ——水的比热，C =4186kj/m3℃
计算得 G =716m3/h
单位面积：g =10. 5m 3/m 2∙h
几台管状水冷炉壁炉子的水充量见表3.4：
表3.4 水充量
名称
水流量 HWT 公司（西） 4.8~7.2 苏联100T60MV A 5.6~5.8 意大利30T 8.3
从表可以看出所设计的水流量已达到国外高功率炉的上限。
由前式可知：G ∝q /∆t 式(3.4)
热流 q 的大小，取决于冶炼期，变化很大，通过温差∆t 表现出来。因而可根据出水温度变化来及时调整水流量。
3.3.4炉壁水冷组件管径的选择
为使组件内水不发生局部沸腾而导致结垢破坏，要求实际水流速度大于临界流速，即V >V 局沸。
由下列式可以确定消除局部沸腾所需的速度值：
V 局沸=10-5q D 0. 2[]1. 25 式(3.5)
式中：q ——热流密度q =8. 8⨯105kj /m 2∙h
D ——管内流体直径，即管内径，m 。
再由式 G =900πD 2V ⨯N 式(3.6) 式中V ——水流速度，m/s；
N ——水冷组件块数，这里N =6；
由上两式可以看出它们均是V-D 关系式，当V =V 局沸时，D =D m ax ，联立前两式解得管子的极限内径D max 为
D m ax =0. 026m
此时，V 局沸=6. 0m/s
也就是说如果壁内径D>26mm (而不增加流量) 时V
沸腾，此时水中Mg 与Ca 的碳酸盐筑会沉淀而形成水垢，使水冷挂渣炉壁的散热能力减弱，挂渣面过热导致臂子烧损。
因此，要求 D
V =6. 6m /s >V 局沸
为避免机械擅击和误操作引起烧损等，选管壁厚为10mm 热轧无缝铜管，标记：管φ80⨯14。
3.3.5 水冷炉壁结构
考虑加工制作及安装维护等，水冷组件管道采取
纵向排布。为了防止意外、同定水冷组件及更好地与
下部耐材的连接，在水冷组件与炉壳问留有空隙，填
充耐材粉料。为了有利大量挂渣等，水冷组件管道间
要有一定间隙来粘合耐火村料，（一般为8-20mm ）。
考虑以上两因素，计算后确定如下 ：
水冷组件与炉壳间隙为：30mm
水冷炉壁外径为：5949 mm
水冷炉壁由六块宽度相等的水冷组件组成，这样设计：
① 有合适的单重；
② 加工、翻造简单；
③ 水冷组件问有一定互换性；
④ 水冷组件间联接处与炉壁热点错开等。
为了提高水冷组件的使用寿命，在布置水冷组件的进出水、吊挂及支承时， 要考虑水冷组件可以垂直旋转180°使用。目前乃至将来一段较长的时间里，电弧炉炉衬的水冷将是炉壁耐久化的较理想办法。尤其电弧炉功率达到高功率、超高功率水平时，炉衬若不采用水冷技术 ，不但不会带来高效率，反而会带来高消耗。 而管式水冷炉壁将是最佳选择。
3.4水冷炉盖
超高功率电弧炉的水冷炉盖形式有管式和喷
淋式，本设计选用管式，其材质为铜。整个水冷
炉盖可由一个水冷构件组成或由5~6个水冷构件
组成。采用超高功率电弧炉冶炼，为了延长炉盖
的使用寿命，采用水冷炉盖，该炉盖由上下两层
钢板焊接而成，上薄下厚，其厚度各为20mm ，
30mm ，水冷层厚度为200mm 。内衬挂渣铆钉为20mm 。炉盖内径的确定
D g =D +2δC . 式（3.8） 式中：D g —水冷炉盖的直径，mm ；
D —熔化室直径，mm ；
δc —添加系数，取其值为300mm ；
故：D g+2δc =6345.2+600=6945.2mm
炉盖上面开五个孔，其中三个位电极孔，电极周围砌有耐火砖。一个为排尘孔。
3.5水冷炉壁、水冷炉盖的安装
采用框架悬挂式安装，其特点炉壁、炉盖无完整钢板炉壁、水冷炉盖组成完整的炉体。为便于运输、安装、维护以及提高寿命，将装有水冷炉壁的炉体制成上下两部分，在水冷炉壁的下沿与炉底及渣线分开，采用法兰连接。
4变压器功率和电参数的确定
4.1变压器功率的确定
电炉的生产率决定于电炉的容量，变压器的功率，电炉全年的工作天数，冶炼周期，电效率和热效率。影响电炉工作的因素很多。目前，电炉利用系数以1000kV·A 变压器功率昼夜的合格钢产量定为电炉生产率的标准。
确定变压器功率的目的是为了选择与电炉容量相匹配的变压器。变压器功率的确定是一个比较复杂问题，它受电炉的容量，冶炼时间，炉衬材质，电效率、热效率等许多因素的影响。为了简化计算，把变压器功率于炉壳直径D 壳联系起
来，抛开其他影响因素。研究发现变压器功率与炉壳直径D 壳存在如下关系。当
炉壳直径D 壳已知时，可用下面经验公式选择变压器的额定功率。
P 视=
110D 壳3. 32τ 式(5.1)
式中， P 视—变压器视在功率，kV·A ；
D 壳—炉壳外径，m ；
τ—额定装量时的熔化时间，0.75h 。
通过对炉体和耐火材料的计算可以知道D
117905.7KV .A 壳为7.5m ，从而计算出P 视为
4.2电极直径设计
电极是将电流输入熔炼室的导体，当电流通过电极时，电极会发热，此时会有8%左右的电能损失。当功率一定时，电极直径减小，电极上电流密度增大，电能损失增大，电极直径增大，电极上电流密度减小，电能损失减小，因此希望电极直径大点，但太大，电极表面热量损失增加，所以电极直径又不能太多，应有一个合适值。根据经验，电极直径可按下式确定。
d 电极= 0. 406I 2ρK 式(5.2)
式中，ρ—石墨电极500℃时电阻系数Ω·m；ρ石墨=100Ωmm2/m；
K —系数，对石墨电极K=2.1W/cm2；
I —电极上的电流强度，A ；
I =
1000P 视U 式(5.3) 式中，U —最高二次电压。
带入数据计算出I =255124.37A，d 电极=108mm
不同尺寸电极I /S 值见下表5.1。
河北工业职业技术学院毕业设计（论文） 3 水冷炉壁设计
表5.1 I/S值
d 电极/mm
（I/S）/（A/cm2） 100 28 200 20 300 17 400 15 500 14 600 12
为了减少电极消耗，露出炉顶外的那部分电极温度：石墨电极不超过500℃，为此电极上电流密度也不应超过该尺寸电极的I/S允许值，以免电极温度过高。
4.3电极心圆直径设计
d 三级心：过三个电极极心的圆周直径。
d 三极心过小，三根电极彼此靠的比较近，电极距离炉壁远，对炉壁寿命有利，
但是，炉坡上的炉料难熔化，熔池加热不均匀，炉顶中心结构强度差，容易损坏，并且电极把持器上下移动困难。如果电极芯圆直径太大，电弧距炉壁近，加剧炉衬的损坏。
电极心圆直径的经验值为：
d 三极心=（0.25～0.3）D
式中，D —熔池直径。
代入数据算出d 三级心=1766mm
5参考文献
6结束语
18